Испытательный стенд СТД 2000



Предыдущая | Следующая

 

Испытательный стенд СТД 2000 для механизированных крепей Рост требований к эффективности, надежности и ресурсу механизированных крепей обусловил появление европейского стандарта EN 1804:2001 [1], регламентирующего необходимые задачи, методы и параметры испытаний секций крепи. Новый стандарт России ГОСТ Р 52152-2003 [2], вступивший в действие с 2005 г., и проект стандарта СНГ и Украины [3] разработаны на базе требований европейского стандарта. Общим для всех указанных документов является весьма существенное повышение требований к надежности и ресурсу конструкции, а также жесткая регламентация параметров испытаний секций механизированных крепей. В качестве основных позиций можно выделить следующие:
— использование коэффициента отношения статической испытательной нагрузки к номинальной Ки=1,2;
— испытание секции по асимметричным схемам нагружения, в ходе которого в узлах секции возникают напряжения изгиба и кручения, что приводит к весьма значительному (в 3-6 раз) росту эквивалентных напряжений;
— испытание секции под действием циклических нагрузок (не менее 8 000 циклов по всем схемам нагружения);
— испытание секции при одновременном действии вертикальной и горизонтальной нагрузки, составляющей 30 % от вертикальной.
Кроме того, в нормативных документах [2,3] установлены требования к рабочему сопротивлению крепей, дифференцированные по трем типам кровли и рабочей мощности пласта. В них, в соответствии с мировыми тенденциями крепестроения, существенно повышены показатели рабочего сопротивления крепи в сравнении с ранее действовавшим стандартом [4].
C учетом вышесказанного становится очевидной актуальность наличия у фирм-производителей механизированных крепей испытательного стенда с функциональными и силовыми характеристиками, соответствующими требованиям новых стандартов. В связи с освоением производства ряда новых конструкций щитовых механизированных крепей, предназначенных для эксплуатации на пластах мощностью от 0,85 до 6 м, в 2005 г. институтом «Донгипроуглемаш» разработана документация и ОАО «Дружковский машиностроительный завод», изготовлен стенд СТД для испытания секций с удельным сопротивлением до 1 500 кН/ м2.
В начальной стадии создания стенда был проведен анализ вышеуказанных стандартов, существующих конструкций испытательных стендов и научных исследований по данной тематике, позволивший установить основные требования к конструкции и параметрам стенда СТД 2000.
Основные параметры существующих конструкций испытательных стендов [5,6,7] приведены в таблице.
Наибольшие проблемы при создании конструкции испытательного стенда вызывает задача обеспечения одновременного действия на секцию вертикальной (Fверт) и горизонтальной (Fгор) нагрузок. Так, например, приведенная в стандарте [1] схема А. 6 (рис. 1, а) предполагает создание горизонтальной составляющей нагрузки в «пассивном» режиме. При этом под основанием размещается одна подкладка в зоне предполагаемой линии равнодействующей нагрузки, отклоненной от вертикали на соответствующий угол:
?? arctg (Fгор/Fверт) = arctg (0,3)?? 16,7°. (1)
Это схемное решение имеет ряд недостатков. При продавливании секции ее основание может поворачиваться вокруг подкладки за счет складывания домкрата стабилизации, «уходя» таким образом из-под нагрузки. Кроме того, при такой схеме невозможно двухопорное нагружение основания секции изгибающей нагрузкой так, как это предусмотрено, например в схеме А. 2 стандарта [1]. И, наконец, в ходе испытания не учитываются реально действующие на перекрытие и основание секции силы трения, изменяющие требуемое соотношение горизонтальной и вертикальной нагрузок.
Другой вариант реализации «пассивного» режима — создания горизонтальной составляющей нагрузки (см. рис. 1,
б) — используется, в частности, на стенде фирмы «Острой» (Чехия). При этом основание секции устанавливается на наклоненной под углом?? площадке, а между основанием и площадкой размещаются подкладки в зоне носка и завальной части основания для нагружения его изгибающей нагрузкой. Это решение лишено первых двух недостатков предшествующего. Однако при таком наклонном размещении основания соотношение горизонтальной и вертикальной составляющих нагрузки становится неопределенным, поскольку помимо сил трения неучтенной становится и реакция опоры, которая предотвращает смещение основания вдоль наклонной площадки. Кроме того, силовая картина в секции крепи, закрепленной указанным образом, существенно отличается от номинальной.
Таким образом, «пассивный» режим создания горизонтальной составляющей нагрузки не позволяет обеспечить заданной ее величины, и, соответственно, соблюдения условий испытаний, а также необходимых условий для определения сопротивления секции по документам [2,3].
«Активный» режим создания горизонтальной составляющей нагрузки обеспечивается посредством воздействия усилия гидродомкратов [2] на перекрытие либо основание секции, что позволяет выдержать требуемое соотношение горизонтальной и вертикальной нагрузок. Однако при этом конструкция стенда должна обеспечивать минимизацию влияния сил трения, а также обладать существенно более высокими прочностными характеристиками для восприятия одновременного воздействия активных горизонтальной и вертикальной нагрузок и соответствующих изгибающих моментов.
Создание вертикальной нагрузки в существующих стендах также производится в двух режимах: «активном» и «пассивном». При «пассивном» вертикальном нагружении испытание производится в «жесткой раме», усилиями гидростоек, к которым подводится давление через мультипликатор. Однако в этом режиме невозможно осуществление испытаний рычажного механизма связи перекрытия с ограждением, а также — определение сопротивления секции крепи в соответствии со стандартами [2,3].
Поэтому при разработке испытательного стенда СТД была поставлена задача обеспечения работы стенда в «активном» режиме горизонтального и вертикального нагружения при испытаниях секций высотой 0,6-6 м, предназначенных для работы на пластах со всеми типами кровель по стандартам [2,3].
Максимальное необходимое вертикальное усилие стенда Fверт необх определяется исходя из перспективных разработок секции крепи, работающей в пласте мощностью m = 6 м с тяжелой кровлей, с шагом установки t = 2 м, длиной перекрытия Lп = 4,5 м. На основании максимизации силовых и кинематических зависимостей, формулируемых в [2,3], получаем:
Fверт необх = 2 [400 + 80(m — 1)]?? ???п+0.3+0.04(m-1)] t Ки?? 19 200 кН, (2) где Ки — коэффициент превышения номинальной нагрузки — 1,2.
Соответствующее максимальное необходимое горизонтальное усилие стенда определяется:
Fгор необх = 0,3 Fверт необх = 5 760 кН.
Исходя из вышеуказанного предложено конструктивное решение стенда (рис. 2), базой которого является жесткая каркасная конструкция колоннады. Конструктивное исполнение колоннады стенда представляет коробчатую конструкцию, включающую основание 1 с установленными на нем в два ряда шестью колоннами 2. Колонны каждого из рядов соединены между собой посредством коробов и листов, образуя цельную металлоконструкцию, предназначенную для восприятия вертикальных и горизонтальных усилий и изгибающих моментов. Подвижное перекрытие стенда 3 размещено над основанием, а его направляющие кронштейны 4 находятся внутри колонн. В направляющих кронштейнах перекрытия размещены цилиндры гидродомкратов вертикального нагружения 5, штоки которых шарнирно установлены в колоннах 2.
Платформа 6, оснащенная роликоопорами, располагается на основании стенда с возможностью перемещения по основанию и приемной площадке 7. На платформе размещается секция крепи. В кронштейнах основания установлены гидродомкраты горизонтального нагружения 8 с возможностью силового взаимодействия с платформой 6. На приемной площадке 7 размещен гидравлический полиспастный механизм 9, перемещающий платформу в ходе установки секции в стенде. На перекрытии стенда размещается механизм определения сопротивления консоли 10.
С целью обеспечения необходимых прочностных параметров стенда была разработана его пространственная компьютерная модель и проведены исследования работы стенда в целом и отдельных его узлов в различных режимах нагружения. Исследования модели проводились на базе метода конечных элементов с использованием программного пакета Visual Nastran. Результаты исследования процесса нагружения модели стенда СТД 2000 в ходе одновременного воздействия максимальных значений вертикальной и горизонтальной нагрузок (см. таблицу) представлены на рис. 3.
Работа испытательного стенда СТД (рис. 4) осуществляется следующим образом. Секция крепи устанавливается на платформе, находящейся на приемной площадке.
При этом между основанием секции и платформой при необходимости устанавливаются подкладки для реализации заданной схемы нагружения в соответствии с [2,3].
Возможна также установка проставок на перекрытии секции для реализации соответствующих схем нагружения.
При необходимости проведения замеров и регистрации действующих на секцию нагрузок (в частности — при определении сопротивления секции) устанавливаются тензоопоры [2,3]. Определение сопротивления на конце передней консоли перекрытия секции крепи производится с помощью специальных гидродомкратов, установленных на перекрытии стенда и оснащенных электронными датчиками давления.
Изменение высоты стенда производится пошагово: посредством поочередной перестановки опорных коромысел каждого из гидродомкратов вертикального нагружения с помощью рычажного механизма специальной конструкции и последующего перемещения этими гидродомкратами перекрытия стенда.
Приложение активной вертикальной нагрузки на секцию производится подачей рабочего давления в гидродомкраты вертикального нагружения. Величина активного горизонтального усилия, действующего на секцию, определяется регулируемым давлением в поршневой полости гидродомкратов горизонтального нагружения.
Возможно также создание нагрузки посредством подвода необходимого рабочего давления в гидростойки секции крепи через мультипликатор (пассивный режим). Системой электрогидроуправления также обеспечивается возможность создания режима циклического нагружения секции в режиме пульсирующей нагрузки, находящейся в диапазоне 0,25-1,05 Рном [1,2,3]. В процессе нагружения осуществляется контроль деформации и усилий в узлах и элементах испытываемой секции посредством специальных датчиков.
Система электрогидроуправления обеспечивает управление механизмами стенда, испытания секции крепи во всех режимах, контроль параметров стенда и испытуемой крепи с их отображением и регистрацией, аварийное отключение при достижении предельных значений контролируемых параметров или срабатывании защит и блокировок механизмов стенда. В работе системы используются свыше 90 контролируемых параметров, 36 из которых участвуют в компьютерной регистрации и сборе информации о проводимых испытаниях.
В число контролируемых и регистрируемых параметров входят:
— давление в рабочих полостях гидродомкратов вертикального и горизонтального нагружения, а также гидродомкратов рычажных механизмов;
— давление в магистралях напора и слива;
— величина и скорость перемещения гидродомкратов вертикального нагружения;
— величина усилий в тензоопорах;
— показания датчиков деформации и усилий в узлах секции и др.
Система управления построена на базе промышленного компьютера серии РС-104, к которому посредством устройств сопряжения подключены контролируемые датчики, исполнительные механизмы, электрогидрораспределители, кнопочные посты, звуковые сигнализаторы и др. Собранная в ходе испытаний информация о контролируемых параметрах секции крепи и стенда регистрируется на жестком диске компьютера с последующим формированием ее в виде базы данных, обработки в пакете «Excel» (рис. 5) и оформления на бумажном носителе протокола испытаний.
В сентябре 2005 г. стенд СТД 2000, разработанный институтом «Донгипроуглемаш» и изготовленный ОАО «Дружковский машиностроительный завод», прошел предварительные испытания и получил государственную аттестацию.
ВЫВОДЫ:
1. Стенд СТД 2000 является в настоящее время единственным испытательным стендом на территории СНГ, поз воляющим провести испытания секций механизированных крепей в полном объеме в соответствии с требованиями стандартов.
2. По совокупности функциональных и силовых характеристик, широте рабочего диапазона испытываемых секций стенд СТД 2000 превосходит существующие мировые аналоги, обеспечивая, в частности, активное вертикальное и горизонтальное нагружение секций крепи высотой 0,6-6 м с максимальным вертикальным усилием 2 000 т.
3. Создание стенда СТД 2000 открывает широкие возможности для проведения научно-исследовательских и экспериментальных работ, необходимых для разработки и тестирования новых конструкций механизированных крепей.
4. Стенд СТД 2000 обеспечивает возможность проведения испытаний секций крепи в максимально широком диапазоне схем и параметров нагружения, с регистрацией всех показателей, необходимых для определения и подтверждения прочностных характеристик крепи, определяющих ее эксплуатационную надежность и ресурс.
5. С помощью стенда СТД 2000 возможно обеспечить максимальную эффективность работ по повышению надежности и ресурса механизированных крепей, а также по снижению металлоемкости и себестоимости их изготовления.
Список литературы:
1. EN 1804:2001 Part. 1: Support units and general requirements.
2. ГОСТ Р 52152-2003 Крепи механизированные для лав.
Общие технические требования. Методы испытаний.
3. Крепи шахтные механизированные. Общие технические условия. Межгосударственный стандарт (Проект).
4. ГОСТ 28597-90 Крепи механизированные для лав.
Основные параметры. Общие технические требования.
5. Mining mechanization center KOMAG. Test and research laboratories/Booklet.
6. Ringleff H. Supporting high faces//World Coal. — 2004.
— № 8.
7. Barczak T. M., Gearhart D. F. Canopy and base load distribution on longwall shield. // Bureau of Mines. — Report of Investigations RI 9418. — 1992. — P. 23.